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真空不空!充滿瞭起伏不定的量子泡沫

| 2017-08-12

據國外媒體報道,如果在顯微鏡下觀察宇宙,你會看到什麼?什麼也看不到。放大一千倍、一百萬倍、哪怕十億倍,眼前依然空無一物。看到這裡,一般人可能會得出這樣的結論:宇宙中什麼都沒有。這從直覺上很能說得通,畢竟十億倍已經遠遠超出瞭顯微鏡的實際放大能力。但量子物理學傢可不是一般人。他們有理論顯微鏡作為武器,因此還能進一步放大,不斷深入看似虛無的宇宙,直到從一片空白中忽然看出些端倪。


所謂的“端倪”便是一片混亂的虛粒子,統稱量子泡沫(quantum foam)。量子物理學傢指出,虛粒子在時空中轉瞬即逝,就像啤酒泡沫中的氣泡一樣。

“量子泡沫中的‘氣泡’隻有原子核的1024分之一,存在時間極短,用‘量子語言’來說,它的直徑隻有一個普朗克長度(約為1.6*10-35米)那麼大,壽命僅有一個普朗克時間(約為10-43秒)那麼長。”佛羅裡達理工學院物理與太空科學教授埃裡克·博爾曼(Eric Perlman)指出。


這麼小的東西顯然無法被直接觀測到。那麼,我們為什麼如此確定量子泡沫一定存在呢?早在1947年,荷蘭物理學傢亨德裡克·卡西米爾(Hendrik Casimir)和德克·波爾德(Dirk Polder)便對該物質存在的證據之一提出瞭預測。費米實驗室的高級實驗物理學傢唐·林肯(Don Lincoln)將為我們解釋所謂的“卡西米爾效應”。


如果量子泡沫確實存在,虛粒子在太空中就應無處不在。此外,由於粒子具有波粒二象性,它們形成的波也應當無處不在。因此卡西米爾設想,如果將兩塊金屬板靠近彼此平行放置,兩板之間和外側便都有量子泡沫。由於內外數量不平衡,金屬板外側的波將比兩板之間的波強大,將兩塊金屬板推向中間。三十年後,科學傢定性觀測到瞭該效應,並在1997年進行瞭精確測定。


宇宙中竟然充滿瞭亂糟糟的泡沫狀物質,這一理論大大影響瞭我們對宇宙的看法。“在如此小的尺度下,廣義相對論和量子力學從本質上而言無法相容。”弦理論專傢、哥倫比亞大學教授佈萊恩·格林恩(Brian Greene)在《優雅的宇宙》(The Elegant Universe)一書中寫道,“廣義相對論的核心原則是,時空基本是平滑的;但在小尺度下,量子世界卻又動蕩得如此劇烈,無疑破壞瞭這種平滑性。”


因此,確定量子泡沫存在與否對於弄清現實的本質具有重要意義。但令人沮喪的是,近期實驗顯示量子泡沫並不存在。探測量子泡沫的方法之一是,測定恒星爆炸中釋放的光子長距離傳播所耗的時間。如果時空是平滑的,兩個從同一光源釋放的光子傳播同一距離的時間也應當相同。但如果時空像泡沫一樣,其中一個光子受到輕微的幹擾,速度便會略慢一些。2009年的一項分析顯示,從同一伽馬射線暴中釋放的高能與低能光子抵達特定地點的時間並不相同,但之後兩次對其它射線暴的分析卻顯示,不同光子抵達目的地的時間幾乎沒有區別,說明時空確實是平滑的,或者至少“泡沫”的質地沒那麼明顯。


不過,這些實驗的精確度都不夠高,不足以在極小尺度下排除量子泡沫的存在。也許要等研發出能看到普朗克長度的顯微鏡,才能板上釘釘。而打造這樣的設備無疑是項巨大的挑戰。

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